WO2007045288A1

WO2007045288A1 - Rotor für eine strömungsmaschine und eine strömungsmaschine

Info

Publication number: WO2007045288A1
Application number: PCT/EP2006/006686
Authority: WO
Inventors: Zeki Akbayir
Original assignee: Zeki Akbayir
Priority date: 2005-10-19
Filing date: 2006-07-07
Publication date: 2007-04-26
Also published as: PT1937980E; US20090022585A1; EA200801103A1; CA2626288A1; BRPI0617523A2; AU2006303660B2; AU2006303660A1; KR20080072847A; EP1937980B1; EP1937980A1; ES2343139T3; EA012818B1; DK1937980T3; PL1937980T3; JP2009511824A; CN101365882B; SI1937980T1; DE502006005806D1; ATE453803T1; CN101365882A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor (2) für eine Strömungsmaschine sowie eine damit ausgestattete Strömungsmaschine, wobei der Rotor (2) in einem gasförmigen oder flüssigen Medium umläuft und mindestens auf einer seiner Mantelflächen (4) ein Profil (3) mit mindestens einer konvexen Erhebung (19) zur Erzeugung eines Druckunterschieds aufweist. Dieser Rotor (2) ist dadurch gekennzeichnet, dass die konvexe Erhebung (19) wie ein Tragflächenprofil (3) eines Flugzeugs ausgebildet ist und der Rotor (2) innen einen axialen Hohlraum (6) aufweist. Dabei ist der Rotor (2) mit mindestens einer Kammer (12,21) zur Zu- oder Abführung des vorgesehenen Mediums verbunden, wobei zwischen dem Hohlraum (6) und der äußeren Mantelfläche (4) im Bereich des Tragflächenprofils (3) mindestens eine Durchtrittsöffnung (5) vorgesehen ist. Ein derartiger Rotor (2) innerhalb unterschiedlicher Gehäuseausbildungen (7) bildet eine Strömungsmaschine, die als Pumpe, Kompressor, Verdichter, Gebläse, Turbomaschine, Turbine oder als Druckneutralisator verwendbar ist.

Description

Rotor für eine Strömungsmaschine und eine Strömungsmaschine

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Strömungsmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Strömungsmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11.

Strömungsmaschinen zeichnen sich dadurch aus, dass sie in einem gasförmigen oder flüssigen Medium einen Druckunterschied erzeugen oder durch einen Druckunterschied in einem derartigen Medium angetrieben werden. Dazu weisen derartige Strömungsmaschinen in der Regel einen Rotor auf, der in dem gasförmigen oder flüssigen Medium gegenüber einem Stator drehbar gelagert ist und durch seine Form oder Anordnung einen Druckunterschied erzeugt oder den Druckunterschied im Medium in eine Drehbewegung umsetzt. Zu derartigen Strömungsmaschinen gehören in erster Linie die meisten Pumpenarten, Kompressoren, Turbomaschinen, Turbinen oder Windenergiekonverter, die über Rotoren in unterschiedlichsten Ausführungen verfügen und meist drehbar in einem Gehäuse als Stator gelagert sind.

Eine Strömungsmaschine in Form einer Pumpe ist aus der DD 293 181 A5 bekannt, die einen zylinder- oder kegelförmigen Rotor aufweist, der in einem Pumpengehäuse exzentrisch gelagert ist. Dieser Rotor ist mit einem Antrieb verbunden und erzeugt bei einer Rotation eine sichelförmige umlaufende Pumpenkammer, die vorzugsweise Öl als Flüssigkeit von einer Einlassöffnung in eine Auslassoffnung befördert. Diese auf dem hydrodynamischen Prinzip beruhende Pumpe erzeugt während der Drehung in dem sichelförmigen umlaufenden Gehäuse einen Ölkeil, der zu einem Druckanstieg in der Pumpenkammer führt und so das Öl von der Einlassöffnung in die Auslassöffnung befördert. Dabei besitzt der Rotor eine relativ glatte runde äußere Mantelfläche, die ausschließlich aufgrund ihrer exzentrischen Umlaufbahn den Druckanstieg in der Flüssigkeit erzeugt. Ein derartiger exzentrisch umlaufender Rotor in einem zylinderförmigen Gehäuse ist allerdings aufgrund seiner unstrukturierten

Mantelfläche bei einem gasförmigen Medium in der Pumpenkaminer kaum geeignet.

Aus der DE 103 19 003 Al ist zwar ein Rotor eines Windenergiekonverters bekannt, durch den die Windenergie in eine elektrische Energie umgewandelt wird. Dabei bestehen die Rotoren aus einer in einem Stator gelagerten Welle, an der in gleichwinkligen Abständen nach außen auskragende Rotorblätter angeordnet sind. Die Rotorblätter sind dabei wie ein symmetrischer Flügel einer Tragfläche eines Flugzeugs ausgebildet, der in Ströinungsrichtung eine zylinderförmige Mantelfläche besitzt und dadurch eine konvexe Ausbuchtung aufweist, die nach hinten spitzwinklig zusammenläuft. Die Rotorblätter werden dabei in Windrichtung so ausgerichtet, dass die vorbeistreichende Luft als gasförmiges Medium entsprechend der Bernoulli-Gleichung einen Druckunterschied bewirkt, durch den der gelagerte Rotor im Stator in eine Drehbewegung versetzt wird. Da ein derartiger Flügel an seiner spitzwinklig zusammenlaufenden Kante eine störende Wirbelbildung verursacht, sind auf dem Flügelprofil quer zur Windrichtung Einbuchtungen vorgesehen. Hierdurch stellt sich auf der Oberseite ein geringerer Druck als auf der Unterseite ein, was zu einem zusätzlichen Auftrieb führt, wodurch die Wirbelbildung verringert wird und die Energieumwandlung mit einem höheren Wirkungsgrad durchführbar sein soll. Ein derartiger Rotor ist aber ausschließlich zum Einsatz in luft- oder gasförmigen Medien vorgesehen und wegen seiner langen Rotorblätter und des dadurch notwendigen Gehäusedurchmessers mit flüssigen Medien .kaum verwendbar. Aus der DE 42 23 965 Al ist zwar ein Turbomaschinenrotor bekannt, bei dem auf einer gelagerten Welle mindestens eine Trägerscheibe montiert ist, auf dessen äußerer zylindrischer Mantelfläche auskragende kurze Schaufeln angeordnet sind, die in einem gasförmigen Medium umlaufen. Dieser Rotor ist in einem Statorgehäuse angeordnet und wird über die Welle mit einer hohen Drehzahl angetrieben. Dabei wird das gasförmige Medium von einer Einlassöffnung mit hoher Verdichtungswirkung in eine Auslassöffnung gepresst. Ein derartiger Turbomaschinenrotor ist allerdings für flüssige Medien in der Regel nicht geeignet, da diese nicht komprimierbar sind und deshalb die dünnen Schaufeln leicht beschädigt werden könnten.

Aus der DE 197 19 692 Al ist eine Rotorpumpe mit innenverzahntem Rotor bekannt, die über eine sehr robuste

Ausführung eines innenverzahnten Rotors verfügt. Dabei besteht die Pumpe aus einem Gehäuse, in dem ein drehbarer Exzenterring angeordnet ist, in dem ein äußeres und ein inneres Flügelrad drehbar gelagert sind. Dabei stellt das innere Flügelrad einen inneren Rotor mit auf seiner äußeren Mantelfläche angeordneter Mehrzahl von Zähnen dar, der in einem äußeren Rotor drehbar angeordnet ist. Der äußere Rotor umschließt den inneren Rotor mit seiner inneren Mantelfläche, auf der ebenfalls nach innen gerichtete Zähne angeordnet sind. Dabei erstrecken sich sowohl die inneren als auch die äußeren Zähne über die gesamte Länge der Mantelfläche und bestehen im wesentlichen aus einer konvexen symmetrischen Erhebung, wobei auf der äußeren Mantelfläche des inneren Rotors sechs konvexe Erhebungen und auf der inneren Mantelfläche des äußeren Rotors sieben konvexe Erhebungen angeordnet sind. Der innere Hohlraum des äußeren Rotors ist dabei jeweils mit einer Einlass- und einer Auslassoffnung verbunden, die sich gegenüberliegend befinden. Durch die Drehbewegung des inneren Rotors erfolgt auch eine Drehbewegung des äußeren Rotors in dem Exzenterring, wodurch sich eine Reihe von Kammern mit variabler Volumina zwischen den Zähnen des inneren und äußeren Rotors bilden. Dadurch wird ein in den Kammern befindliches Fluid in die sich vergrößernden Kammern eingesaugt und aus den sich verkleinernden Kammern ausgestoßen. Als Fluid ist dabei eine Hydraulikflüssigkeit vorgesehen, die durch die so erzeugten Druckunterschiede von der Einlassöffnung in die Auslassöffnung gedrückt wird. Da ein derartiger Rotor aus mindestens zwei koaxial zueinander angeordneten verzahnten Teilen besteht, die noch eine unterschiedliche Anzahl von Zähnen aufweisen müssen und nur bei genauster Ausführung passgenau ineinander greifen, ist eine derartige Rotoranordnung sehr aufwändig in ihrer Herstellung und mit einer Reihe reibungsbehafteter Teile ausgestattet, die verschleißabhängig sind.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen universell einsetzbaren Rotor für eine Vielzahl von Bauarten von Strömungsmaschinen zu schaffen, der robust und nahezu wartungsfrei und darüber hinaus noch einfach herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 und 11 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch das

Tragflächenprofil an einer der Mantelflächen des Rotors aufgrund des Bernoulli-Effekts durch die Bewegung des Rotors oder der Strömung eines gasförmigen oder flüssigen Mediums eine Unterdruckwirkung oberhalb des Tragflächenprofils entsteht, so dass ein derartiger Rotor sowohl in

Strömungsmaschinen für flüssige als auch für gasförmige Medien einsetzbar ist. Da die Druck- oder Sogwirkung nicht durch die Bildung umlaufender abdichtender Kammern erzeugt wird, können damit vorteilhafterweise auch ein mit Feststoffen versetztes Medium gefördert werden, so dass derartige Rotoren auch zu einer kontinuierlichen Beförderung von Schüttgütern oder Dispersionen gut geeignet sind.

Die Erfindung hat gleichzeitig den Vorteil, dass durch das 5 strömungsgünstige Tragflächenprofil nur eine geringe

Wirbelbildung in dem verwendeten Medium und außer der Lagerung keinerlei Berührung mit einem Stator oder anderen Rotorteilen auftritt, so dass Strömungsmaschinen, die mit einem derartigen Rotor ausgestattet sind, besonders geräuscharm arbeiten und

10 auch kaum Strömungs- oder Reibungsverluste aufweisen. Da der erfindungsgemäße Rotor innen hohl ist und lediglich durch ein flaches Tragflächenprofil auf einer der Mantelflächen die Druckdifferenz erzeugt, ist dieser mit besonders geringem Gewicht herstellbar, so dass auch nur geringe Massen

15 beschleunigt werden müssen, wodurch sich vorteilhafterweise insgesamt auch im Zusammenhang mit der geringen Reibung und den geringen Strömungsturbulenzen eine Strömungsmaschine mit hohem Wirkungsgrad erzielbar ist.

20 . Durch die nur geringe Rotormasse und die weitgehend symmetrische Ausbildung sowie eine zentrische Rotation entstehen auch nur geringe Fliehkraftwirkungen, so dass ein derartiger Rotor vorteilhafterweise mit hohen Drehzahlen > betreibbar ist. Dadurch sind auch hohe Druckunterschiede mit 25 hohen Strömungsgeschwindigkeiten erzeugbar, wodurch vorteilhafterweise gleichzeitig hohe Förderleistungen des vorgesehenen gasförmigen oder flüssigen Mediums oder der darin enthaltenen Feststoffe erreicht werden können.

30 Da der erzeugbare Druckunterschied bei einem derartig erfindungsgemäß profilierten Rotormantel nahezu proportional zur Drehzahl ansteigt, können bei einer gleich bleibenden Rotordrehzahl vorteilhafterweise kaum Druck- oder Volumenschwankungen auftreten. Durch das Tragflächenprofil an

35 der Mantelfläche entsteht bei angetriebenem Rotor stets eine Druckdifferenz, die unabhängig vom Umgebungsdruck des Mediums ist, so dass damit vorteilhafterweise auch gasförmige Medien mit hoher Dichte noch befördert oder Flüssigkeiten aus großer Tiefe bei statischem Druck an die Oberfläche gepumpt werden können .

Der erfindungsgemäße Rotor und eine damit ausgestattete Strömungsmaschine kann nicht nur im angetriebenen Zustand zur Förderung oder Druckerzeugung genutzt werden, sondern ist bei strömungsrichtiger Einleitung eines druckkraftbeaufschlagten Mediums auch zu einer Drehzahlerzeugung nutzbar, um vorteilhafterweise aus Wasserkraft oder Windkraft Energie wie beispielsweise Strom zu erzeugen.

Bei einer mehrstufigen Ausbildung des erfindungsgemäßen Rotors und einer damit ausgestatteten Strömungsmaschine sind bei axialen Stufen und gleich bleibender Durchflussmenge vorteilhafterweise höhere Drücke erzeugbar oder bei koaxialen Stufen wegen Erhöhung der Profilfläche bei gleich bleibendem Druckunterschied vorteilhafterweise auch höhere Durchflussmengen beförderbar.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine perspektivische Darstellung einer Pumpe mit einem einstufigen Pumpenrotor; Fig. 2: eine Vorderansicht der Pumpe mit dem

Pumpenrotor; Fig. 3: eine Draufsicht der Pumpe mit dem Pumpenrotor; Fig. 4: ein Lamellenring eines Flügelrades für den

Pumpenrotor;

Fig. 5: eine Anordnung von Lamellenelementen eines Flügelrades für den Pumpenrotor; Fig. 6: eine Schnittdarstellung einer Pumpe mit einem mehrstufigen Pumpenrotor, und Fig. 7: eine Schnittdarstellung einer Antriebsturbine.

In Fig. 1 der Zeichnung ist als Strömungsmaschine eine Pumpe 1 perspektivisch dargestellt, die einen einstufigen hohlen Rotor 2 als Pumpenrotor enthält, der auf einer äußeren Mantelfläche 4 neun Tragflächenprofilelemente 3 aufweist, zwischen denen Durchtrittsöffnungen 5 zum inneren Hohlraum 6 angeordnet sind.

Bei der dargestellten Pumpe 2 handelt es sich um eine Ausführung, die vorzugsweise mit Wasser als flüssigem Medium betrieben wird. Die Pumpe 2 besteht im wesentlichen aus einem stationären Gehäuse 7 als Stator, in dem der Pumpenrotor 2 angeordnet ist. Der Rotor ist im Gehäuse 7 in zwei Lagern 8 drehbar gelagert und besitzt in seinem Zentrum eine Welle 9, die mit einem nicht dargestellten Antriebsmotor 9 verbunden ist. Das Gehäuse 7 ist im wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und enthält an seiner äußeren Mantelfläche eine Auslassöffnung 11 zur Abführung des zu pumpenden Wassers. An der linken Stirn- oder Mantelfläche des Gehäuses 7 ist zum Einlass des zu pumpenden Wassers zum Hohlraum 6 eine Einlassöffnung 10 vorgesehen, die mit einer nicht dargestellten Zuführleitung verbindbar ist. Die Einlassöffnung 10 ist mit dem Hohlraum 6 des Rotors 2 verbunden und bildet mit diesem eine Einlasskammer 12. Mit einer derartigen Pumpe 1 können im Grunde alle flüssigen Medien wie z. B. Wasser, Öl und dergleichen als auch alle Flüssigkeiten, die mit Feststoffen vermischt sind, wie z. B. Dispersionen befördert werden.

In Fig. 2 der Zeichnung ist die vorstehend beschriebene Pumpe 1 in Vorderansicht dargestellt, aus der im einzelnen auch die Anordnung und Ausbildung des Rotors 2 ersichtlich ist. Dabei besteht der Rotor 2 im wesentlichen aus einem zylinderförmigen Flügelrad 20, das innen einen zylinderförmigen Hohlraum 6 aufweist, der bei der dargestellten Pumpe 1 eine Einlasskammer 12 bildet. Auf der äußeren Mantelfläche 4 des Rotors 2 sind in gleichen Winkelabschnitten verteilt neun konvexe Erhebungen 3 angeordnet, die ein axial verlaufendes Tragflächenprofil auf der äußeren tangentialen Mantelfläche 4 des Rotors 2 bilden. Da der Rotor 2 auf seiner äußeren tangentialen Mantelfläche 4 mehrere Tragflächenprofilelemente 3 aufweist, die bei einer Rotation nach dem Bernoulli-Effekt auch in gasförmigen Medien wie beispielsweise Luft einen Unterdruckbereich bilden, können damit auch alle gasförmigen Medien sowie die mit Schüttgütern durchsetzte gasförmige Medien transportiert, verdichtet oder angesaugt werden.

Im Endbereich des Tragflächenprofils 3 sind

Durchtrittsöffnungen 5 zum innen liegenden Hohlraum 6 oder zur Einlasskammer 12 der Pumpe 1 vorgesehen, in der sich das zu pumpende Medium wie beispielsweise Wasser befindet. Die axiale Ausbildung der Pumpe 1 ist im einzelnen in Fig. 3 der Zeichnung in Draufsicht dargestellt. Aus Fig. 3 der Zeichnung ist ersichtlich, dass der Rotor 2 in axialer Richtung lamellenartig aufgebaut ist. Diese Lamellen sind wegen des Tragflächenprofils 3 aus flachen Blechen vorzugsweise mit Hilfe eines Lasers ausgeschnitten oder ausgestanzt. Dabei besteht der Rotor 2 hauptsächlich aus Lamellenringen 13 und einer Anordnung von Lamellenelementen 14 die das Flügelrad 20 bilden.

Die Lamellenringe 13 sind in Fig. 4 der Zeichnung und die Lamellenelemente 14 in Fig. 5 der Zeichnung näher dargestellt, die als axiales Lamellenpaket das Flügelrad 20 mit den tangentialen Mantelflächen 4 bilden. Der in Fig. 3 der Zeichnung dargestellte Rotor 1 besteht aus drei Anordnungen von Lamellenelementen 14, an dessen äußeren Seitenflächen jeweils ein Lamellenring 13 befestigt ist. Dabei besteht der Lamellenring 13 vorzugsweise aus einem flachen Stahlblech, das für wasserhaltige Flüssigkeiten korrosionsgeschützt ist oder aus einem rostfreien Edelstahl besteht. Die Lamellenringe 13 als auch die Lamellenelemente 14 bestehen meist aus dem gleichen Material, das je nach verwendetem Medium auch aus anderen Metallen, harten Kunststoffen,

Kunstfaserverbundstoffen oder Keramiken bestehen kann. Jeder Lamellenring 13 besitzt innen eine kreisförmige Bohrung 23 von beispielsweise 250 mm Durchmesser und einem kleinsten äußeren Durchmesser von ca. 360 mm. Dabei enthält der Lamellenring 13 vorzugsweise neun gleichartige Winkelbereiche von je AQ° , an dessen äußerer tangentialer Mantelfläche 4 jeweils eine konvexe Erhebung 19 angeordnet ist, die entgegen der Drehrichtung 18 flach mit einer abfallenden Steigung in einen Auslaufbereich 24 übergeht und ein Tragflächenprofil 3 bildet. Die konvexe Erhebung 19 weist gegenüber dem auslaufenden Ende vorzugsweise eine Erhebung 19 von ca. 45 mm auf und besitzt einen Radius von ca. 20 mm. Der entgegen der Drehrichtung 18 auslaufende abfallende Profilbereich 24 weist eine konkave Krümmung mit einem Radius von 167 mm auf und erstreckt sich auf einer Länge von ca. 70 mm. Die konvexe Erhebung 19 mit dem abfallenden konkaven auslaufenden Bereich 24 bildet damit auf der Mantelfläche 4 ein Profil eines Tragflächenflügels von Flugzeugen nach. Das Tragflächenprofil 3 endet dabei in einer leicht ansteigenden Spitze 25, die wie ein Spoiler wirkt und weitgehend Verwirbelungen an der Abreißkante verhindert.

Nach der die Verwirbelung verhindernden Spitze 25 folgt entgegen der Drehrichtung 18 eine tangentiale gerade Fläche, die den geringsten Abstand zur Drehachse 26 aufweist und auf einer Länge von ca. 5 mm tangential zu dieser verläuft. Diese gerade Fläche begrenzt die Durchtrittsöffnungen 5 in axialer Richtung und beendet jedes einzelne Tragflächenprofil 3 auf der tangentialen äußeren Mantelfläche 4 des Rotors 2. Dabei wird jeder Lamellenring 13 von vorzugsweise gleichartigen Tragflächenprofilen 3 gebildet, die in gleichen Winkelbereichen und gleichen Abstand zur Drehachse 26 angeordnet sind.

5 Zwischen zwei äußeren Lamellenringen 13 sind zur Ausführung des dargestellten Pumpenrotors 2 drei Lamellenschichten von jeweils neun Lamellenelementen 14 angeordnet, die an ihren äußeren radialen Kanten ebenfalls das gleiche Tragflächenprofil 3 wie die Lamellenringe 13 aufweisen. Zur

10 Ausbildung eines Flügelrades 20 eines Rotors 2 werden die einzelnen Lamellenelemente 14 deckungsgleich fluchtend mit dem Tragflächenprofil 3 mit einem Lamellenring 13 oder mit anderen Lamellenanordnungen verbunden und stellen dadurch einen axiales Flügelrad oder ein Flügelradteil dar, das auf seiner

15 äußeren tangentialen Mantelfläche 4 ein gleichmäßiges axial ausgerichtetes Tragflächenprofil 3 bildet. Dabei sind die Lamellenelemente 14 aber tangential beabstandet voneinander ^~ angeordnet und insgesamt mit den Lamellenringen 13 verbunden, wobei der Abstand zwischen den Lamellenelementen eine

20 Durchtrittsöffnung 5 bildet, durch die das vorgesehene Medium von dem innen liegenden zylindrischen Hohlraum 6 durch den Unterdruck entlang des abfallenden Tragflächenprofils 3 durch den Bernoulli-Effekt nach außen gesaugt wird.

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25 Zur strömungsgünstigen Ausbildung dieser Durchtrittsöffnungen 5 sind die einzelnen Lamellenelemente 14 in ihrem hinteren Bereich mit einer konvexen Krümmung 15 und in ihrem vorderen Bereich mit einer konkaven Krümmung 16 versehen, die während der Rotation einen weitgehend wirbelfreien Durchfluss

30 ermöglichen. Dabei geht die konvexe Krümmung 15 an der

Innenkante ebenfalls in eine konkave Krümmung über, die den Radius der Bohrung 23 des Lamellenrings 13 von beispielsweise 125 mm entspricht. Dadurch bildet der Rotor 2 innen einen axial durchgehenden zylindrischen Hohlraum 6 -als Einlasskarnmer

35 12. Zur Befestigung des Flügelrades 20 mit der Antriebswelle 9 werden vorzugsweise nicht dargestellte sternförmige Verbindungselemente vorgesehen, die drehsteif mit der Antriebswelle 9 und vorzugsweise mit mindestens einem der Lamellenringe 13 verbunden sind. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann das Tragflächenprofil 3 auch an der inneren tangentialen Mantelfläche angeordnet werden, wobei der Rotor 2 dann außen eine kreisförmige Mantelfläche 4 aufweist, wodurch sich die Durchflussrichtung umkehrt und die Auslasskammer 21 im Hohlraum 6 des Flügelrades 20 bzw. des Rotors 2 gebildet wird.

Zum Betrieb der Pumpe 1 wird der Rotor 2 mit einer vorgegebenen Drehzahl und Drehrichtung 18 angetrieben, so dass an der äußeren Mantelfläche 4 in Drehrichtung 18 hinter der konvexen Erhebung 19 sich nach dem Bernoulli-Effekt ein Unterdruck bzw. eine Druckdifferenz zum umgebenden gasförmigen oder flüssigen Medium bildet, so dass aus dem druckhöheren Innenraum 6 das Medium nach außen gesaugt wird. Dabei hängt die Druckdifferenz im wesentlichen von der Drehzahl bzw. der Umfangsgeschwindigkeit des Flügelrades 20 ab. Die Druckdifferenz steigt etwa linear so weit an, bis die Wirbelbildung an der Abrisskante oder anderen Verwirbelungselementen so groß wird, dass sich daraus ein nennenswerter Gegendruck ergibt. Dies kann aber durch eine vorteilhafte Ausbildung insbesondere der Abreißkante und durch Bildung kreisförmiger Einlass- 12 und Auslasskammern 21 verringert werden, so dass bei Drehzahlen von mindestens 10.000 U/min ein linearer Druckanstieg erfolgt.

Durch einen hohen Differenzdruck kann auch gleichzeitig die Durchflussmenge pro Zeiteinheit vergrößert werden, die aber durch die Querschnittsflächen der Durchtrittsöffnungen 5 begrenzt ist. Allerdings kann die Durchflussmenge bzw. das Durchflussvolumen auf einfache Weise auch durch eine Vergrößerung der Oberfläche des Tragflächenprofils 3 erhöht werden. Im Grunde ist bereits eine Druckdifferenz mit nur einem Tragflächenprofil 3 am Umfang des Rotors 2 bzw. des Flügelrades 20 erzeugbar. Zur Erhöhung der Durchflussmenge und zur Verbesserung des Strömungsverhältnisses wurden allerdings vorzugsweise neun Tragflächenprofile 3 kreisförmig um den tangentialen äußeren Rotormantel 4 angeordnet, wobei aber auch eine geringere als auch eine höherer Anzahl von Profilflächen ausführbar ist. Ein derartiger Rotor 2 mit mindestens einem Tragflächenprofil 3 muss nicht zylinderförmig sein, sondern kann auch eine kugel- oder kegelförmige äußere Mantelfläche 4 aufweisen, durch die auch eine Druckdifferenz erzeugbar ist. Dabei benötigt ein derartiger Rotor auch keine abgeschlossenen Einlass- 12 und Auslasskammern 21, da bereits eine Rotation innerhalb eines gasförmigen oder flüssigen Mediums ohne Gehäuseteil eine Druckdifferenz erzeugt, die lediglich durch eine Ab- oder Zuführleitung nutzbar ist, die lediglich an eine der Ein- 12 oder Auslasskammern 21 angeschlossen sein muss. Dabei bestimmt im wesentlichen die Nutzungsmöglichkeit des

Druckausgleichs die Bauart der Strömungsmaschine. So kann eine Strömungsmaschine mit einer abgeschlossenen und mit einer Leitung verbundenen Einlasskairaner als Saugmaschine auch für gasförmige Medien bzw. als Staubsauger ausgebildet sein. Hingegen ist ein Rotor 2 mit einer abgeschlossenen

Auslasskammer 21 vorteilhaft als Kompressor oder Gebläse für ein gasförmiges Medium oder als Pumpe zum Transport oder zum Druckausgleich von flüssigen Medien einsetzbar. Ein derartiger Rotor 2 kann aber auch zur Erzeugung einer Drehzahl bei vorhandenem Druckunterschied eines umgebenden Mediums sowie zur Energieerzeugung bei vorhandenen Wasser- oder Luftdruckunterschieden genutzt werden. Bei einer in Fig. β der Zeichnung dargestellten besonderen Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Flügelräder 20 axial nebeneinander angeordnet und durch separate Auslasskammern 21 voneinander getrennt. Dabei sind die vier dargestellten Flügelräder 20 auf einer gemeinsamen

Antriebswelle 9 angeordnet, die in zwei Lagern 8 an einem Stator und dem Gehäuseteil gelagert ist. Alle Flügelräder 20 sind von einem mehrteiligen Gehäuse 7 umgeben, das drei Zwischenwände 22 aufweist und dadurch vier Auslasskammern 21 bildet, in denen jeweils ein gleichartiges Flügelrad 20 drehbar angeordnet ist.

Jedes Flügelrad ist dabei wie das nach Fig. 1 bis 5 der Zeichnung beschriebene Flügelrad 20 ausgebildet und besteht im Grunde aus neun auf der äußeren Mantelfläche 4 angeordneten Tragflächenprofilen 3, zwischen denen Durchtrittsöffnungen 5 zum inneren Hohlraum 6 vorgesehen sind. Beim ersten Flügelrad 20 ist eine erste Einlassöffnung 10 zum Außenbereich des Gehäuses 7 als kreisrunde Aussparung vorgesehen, die eine Verbindung zum Hohlraum 6 des ersten Flügelrades 20 als

Einlasskammer 12 herstellt. Dieser ersten Einlassöffnung 10 wird das vorgesehene gasförmige oder flüssige Medium zugeführt, so dass dieses in die als Hohlraum 6 ausgebildete erste Einlasskammer 12 des ersten Flügelrades 20 gelangt. Wird der Rotor 2 mit einer vorgegebenen Drehzahl angetrieben, so entsteht an dem Tragflügelprofil 3 im Bereich der Durchtrittsöffnung 5 eine Druckdifferenz, wodurch das Medium nach außen in die das Flügelrad 20 umgebende erste Auslasskammer 21 gesaugt wird. Dadurch entsteht in dieser Auslasskammer 21 eine Druckerhöhung, die durch die zweite

Einlassöffnung 27 in dem Hohlraum bzw. der Einlasskammer des zweiten Flügelrades 28 wirkt. Durch dieses rotierende zweite Flügelrad 28 wird wiederum eine Druckdifferenz erzeugt, so dass das Medium mit einer Druckerhöhung in eine zweite Auslasskammer 29 gelangt. Da auch in der zweiten Auslasskammer 29 eine Einlassöffnung zum dritten Flügelrad vorgesehen ist, erfolgt in den nachfolgenden zwei Auslasskairanern jeweils eine weitere gleich große Druckerhöhung, so dass eine derartige vierstufige Pumpe zu einem viermal höheren Druckanstieg führt wie bei einer einstufigen Pumpe 1 mit nur einem Flügelrad 20. Eine derartige mehrstufige Pumpe als Strömungsmaschine kann mit einer Vielzahl von Druckerhöhungsstufen ausgestattet sein, so dass sich damit je nach vorgesehener Drehzahl nahezu eine beliebige Druckerhöhungen herstellen lässt.

Eine derartige mehrstufige Pumpe als Strömungsmaschine kann auch mit radialen Stufen ausgebildet sein. Dazu werden mehrere Flügelräder 20 mit unterschiedlich großen Außendurchmessern koaxial ineinander angeordnet und durch eine gemeinsame Antriebswelle 9 in Rotation versetzt. Mit einer derartig koaxial aufgebauten Strömungsmaschine lassen sich nicht nur sehr hohe Drücke erzeugen, sondern durch die hohe wirksame Oberfläche der Tragflächenprofile auch hohe Durchlassvolumina pro Zeiteinheit befördern.

In Fig. 9 der Zeichnung ist eine weitere besondere Ausführungsart der Erfindung dargestellt, die eine Antriebsturbine vorzugsweise für ein flüssiges Medium zeigt. Dazu ist ein einstufiger zylindrischer Rotor 2 mit auf seiner äußeren Mantelfläche angeordneten Tragflächenprofilen 3 und Durchtrittsöffnungen 5 zu seinem Hohlraum vorgesehen, der in einem zylinderförmigen Gehäuse 7 angeordnet ist. Das Gehäuse 7 enthält an seinem einen axialen Ende eine Einlassöffnung 10 und seinem anderen axialen Ende eine Auslassöffnung 11, die flaschenhalsartig ausgebildet ist. Der im Gehäuse 7 angeordnete Rotor 2 wird durch seine Einlassöffnung 10 über eine Welle 9 angetrieben, durch die auch das vorzugsweise flüssige Medium wie z. B. Wasser zugeführt wird. Durch eine Rotation wird das Wasser in das umgebende Gehäuse als Auslasskammer 21 gesaugt, so dass in dieser ein Überdruck entsteht, der aus der strömungsgύnstigen engen flaschenhalsartigen Auslassöffnung 11 in das umgebende Medium austritt. Je nach Antriebsdrehzahl und Querschnittsfläche der Auslassöffnung 11 strömt das Wasser mit einer bestimmten Anströmgeschwindigkeit in das umgebende stehende Wasser, wodurch eine turbinenartige Rückstoßwirkung erzeugt wird. Dadurch lassen sich vorzugsweise Wasserfahrzeuge antreiben oder Flüssigkeiten mit hohem Druck richtungsabhängig in gleichartige oder andere Medien abstrahlen.

Claims

Rotor für eine StrömungsmaschinePatentansprüche

1. Rotor für eine Strömungsmaschine, der in einem gasförmigen oder flüssigen Medium umläuft und mindestens auf einer seiner Mantelflächen (4) ein Profil (3) mit mindestens einer konvexen Erhebung (9) zur Erzeugung eines

Druckunterschieds aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die konvexe Erhebung (19) wie ein Tragflächenprofil (3) ausgebildet ist und der Rotor (2) innen einen axialen Hohlraum (6) aufweist und der Rotor (2) mit mindestens einer Kammer (12,21) zur Zu- oder Abführung des Mediums verbunden ist, wobei zwischen dem Hohlraum (6) der äußeren Mantelfläche (4) im Bereich des Tragflächenprofils (3) mindestens eine Durchtrittsöffnung (5) gesehen ist.

2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieser mindestens ein Flügelrad (20) und eine mit diesem drehsteif verbundenen Welle (9) enthält, die in einem Stator (7) drehbar lagerbar ist.

3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Flügelrad (20) im wesentlichen zylinderförmig ausgebildet ist und innen einen zylinderförmigen Hohlraum (6) aufweist, wobei das Tragflächenprofil (3) entweder auf der äußeren Mantelfläche (4) oder auf der inneren Mantelfläche angeordnet ist.

4. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Tragflächenprofil (3) axial und tangential auf einer der Mantelflächen (4) des Flügelrades (20) angeordnet ist, wobei das Tragflächenprofil (3) mindestens eine radiale konvexe Erhebung (19) aufweist, die entgegen der Drehrichtung (18) in einen langgestreckten abfallenden Auslaufbereich (24) übergeht, dessen Abstand zur Drehachse (26) sich bei einer äußeren Mantelfläche (4) verringert und bei einer inneren Mantelfläche erhöht und an oder in dessen Endbereich mindestens eine Durchtrittsöffnung (5) zum inneren Hohlraum (6) angeordnet ist.

5. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flügelrad (20) aus einem Metall-, einem Kunststoff-, einem Glasfaserverbund- oder einem Keramikerkstoff besteht.

6. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flügelrad (20) lamellenartig aufgebaut ist und aus mindestens einem Lamellenring (13) mit mindestens einem Tragflächenprofil (3) und einer Anordnung von mindestens einem Lamellenelement (14) mit einem Tragflächenprofil (3) besteht, die axial fluchtend miteinander verbunden sind, wobei die Lamellenelemente (14) tangential so weit voneinander beabstandet sind, dass sich dadurch mindestens eine Durchtrittsöffnung (5) bildet.

7. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die konvexe Erhebung (19) eine Teilkreisfläche mit einem vorgegebenen Radius beschreibt, die entgegen der Drehrichtung (18) in den abfallenden Auslaufbereich (24) übergeht, der geradlinig, leicht konvex oder leicht konkav verläuft und in dessen Bereich oder an dessen Ende die Durchtrittsöffnung (5) angeordnet ist.

8. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der abfallende Auslaufbereich (24) leicht konkav ausgebildet ist und an dessen Ende eine radial nach außen gerichtete Spitze (25) als Abreißkante spoilerartig angeordnet ist.

9. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flügelrad (29) axial mehrstufig ausgebildet ist, wobei in Richtung der Drehachse (26) axial hintereinander mehrere beabstandete Flügelradteile (20,28) angeordnet sind, die jeweils als separates Flügelrad (20,28) wirken, wobei diese aber drehsteif miteinander oder der Welle (9) verbunden sind.

10. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Flügelrad (20) radial mehrstufig ausgebildet ist, wobei mehrere Flügelräder (20) mit unterschiedlichen Durchmessern koaxial ineinander und symmetrisch zur Drehachse (26) angeordnet und drehsteif miteinander und/oder der Welle (9) verbunden sind.

11. Strömungsmaschine mit einem Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese als Stator ein Gehäuse (7) in dem der Rotor gelagert ist aufweist, das entweder mit einer äußeren. Mantelfläche (4) und/oder einer inneren Mantelfläche des Rotors (2) mindestens eine Kammer (12,21) bildet, die bei Rotation eine Druckdifferenz zum umgebenden gasförmigen oder flüssigen Medium aufweist.

12. Strömungsmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (7) als Kammer (12,21), in der das Medium zugeführt wird, eine Einlasskammer (12) und als Kammer, in der das Medium abgeführt wird, eine Auslasskammer (21) bildet.

13. Strömungsmaschine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass diese mindestens einen Rotor (2) enthält, dessen äußere Mantelfläche (4) von einem Gehäuseteil (7) umgeben ist und das mit diesem am Rotor

(2) eine Einlass- (12) oder Auslasskammer (21) bildet und mindestens eine Ein- (10) und/oder Auslassöffnung (11) aufweist.

14. Strömungsmaschine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass diese mindestens einen Rotor (2) enthält, dessen innerer Hohlraum (6) von mindestens einem Gehäuseteil (7) abgedeckt ist und mit dem Hohlraum (6) eine Einlass- (12) oder Auslasskammer (21) bildet und mindestens eine Ein- (10) und/oder Auslassöffnung (11) aufweist.

15. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass diese mindestens eine Ein- (12) und eine Auslasskammer (21) enthält, wobei jede Kammer (12,21) eine Ein- (10) oder Auslassöffnung (11) aufweist.

16. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass diese mindestens einen Rotor (2) mit einem axial mehrstufiges Flügelrad (20,28) enthält und dessen äußere Mantelflächen (4) von einem separaten Gehäuseteil (7,22) umgeben sind, das jeweils eine Einlassöffnung (27) zur nächstfolgenden Stufe mit einem weiteren Flügelradteil (28) aufweist oder eine Ein- (10) oder Auslassöffnung (11) besitzt.

17. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass diese mindestens einen Rotor (2) mit einem radial mehrstufiges Flügelrad enthält, das von einem gemeinsamen Gehäuseteil (7) umgeben ist und/oder dessen Hohlräume (6) von mindestens einem Gehäuseteil (7) abgedeckt sind, wobei mindestens ein Gehäuseteil (7) mit einer Ein- (10) oder Auslassöffnung (11) versehen ist.

18. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass diese als Antriebsturbine ausgebildet ist und mindestens einen Rotor (2) mit einem Flügelrad (20) enthält, der von einem zylinderförmigen Gehäuseteil (7) umgeben ist und den Rotor (2) umschließt und eine axiale Einlassöffnung (10) zur Zuführung eines gasförmigen oder flüssigen Mediums und zur Einführung einer Welle (9) enthält und an dessen gegenüberliegendem axialen Ende eine flaschenhalsförmige Auslassöffnung (11) aufweist.

19. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass diese als Pumpe, Kompressor, Verdichter, Turbine, Turbomaschine oder Druckneutralisator ausgebildet ist.

20. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass diese zur Drehzahlerzeugung mittels eines gasförmigen oder flüssigen Mediums ausgebildet ist und mindestens eine Einlasskammer (12) zur richtungsweisenden Zuführung des druckbeaufschlagten gasförmigen oder flüssigen Mediums enthält, die so ausgebildet ist, dass die Strömungsrichtung auf die konvexe Erhebung (19) des drehbar gelagerten Rotors (2) gerichtet ist.